- Titel
- Der Einsatz von multispektralen Satellitenbildern im Geomonitoring von nachbergbaulichen Prozessen
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:105-qucosa2-967916
- Datum der Einreichung
- 23.12.2024
- Datum der Verteidigung
- 09.04.2025
- Abstract (DE)
- Die Arbeit befasst sich mit dem Einsatz multispektraler Satellitenbilder im Geomonitoring von Prozessen, die nach der Beendigung des Bergbaus in Bergbauregionen auftreten. Die Untersuchungen wurden am Beispiel der Zeche Prosper-Haniel im deutschen Ruhrgebiet durchgeführt, die im Jahr 2018 geschlossen wurde. Diese Region, ein Symbol der deutschen Kohleindustrie, ist geprägt von komplexen Umweltproblemen wie Bodendeformationen, hydrologischen Veränderungen und der Degradation der Vegetation. Die vorgestellten Analysen basieren auf der Nutzung ausgewählter Gruppen von Fernerkundungsindikatoren, darunter Vegetationsindizes wie GLI, GNDVI, GRNDVI, NDGI, NDVI, Norm_G, Norm_NIR und Norm_R sowie Wasserindikatoren wie MNDWI, MSR, NDWIGao und NDWIMcFeeters. Diese Indikatoren wurden auf Basis von Satellitendaten der Landsat-Mission berechnet. Die Bilder wurden in GIS-Systemen verarbeitet, was detaillierte Untersuchungen der Umweltveränderungen über längere Zeiträume ermöglichte. Zudem wurde eine Methodik zur Nutzung von Drohnen für die Validierung der Satellitendaten sowie Algorithmen des maschinellen Lernens zur Automatisierung der Datenanalyse entwickelt. Ziel der Arbeit war es, einen umfassenden Ansatz für die Überwachung von Prozessen nach der Schließung von Bergwerken zu entwickeln, der den Anforderungen des Umweltschutzes und der nachhaltigen Bewirtschaftung postindustrieller Gebiete gerecht wird. Die Ergebnisse zeigen, dass Fernerkundungsindikatoren effektiv zur Überwachung von Veränderungen der Bodenoberfläche in Bergbauregionen eingesetzt werden können. Dies ermöglicht die Bewertung von Umweltveränderungen und die Reduzierung negativer Auswirkungen des Bergbaus durch die Planung von Rekultivierungsmaßnahmen. Die Arbeit bietet zudem Empfehlungen für die zukünftige Entwicklung von Monitoring-Tools, einschließlich eines stärkeren Einsatzes von Drohnentechnologie und fortschrittlichen Datenanalysemethoden.
- Abstract (EN)
- The study examines the application of multispectral satellite imagery in geomonitoring post-mining processes occurring in regions affected by the cessation of extraction activities. The research focuses on the Prosper-Haniel mine in Germany's Ruhr region, which ceased operations in 2018. This region, historically symbolic of the German coal industry, faces significant environmental challenges, including ground deformations, hydrological changes, and vegetation degradation. The analyses presented in this study rely on selected groups of remote sensing indicators, including vegetation indices such as GLI, GNDVI, GRNDVI, NDGI, NDVI, Norm_G, Norm_NIR, and Norm_R, as well as water indicators like MNDWI, MSR, NDWIGao, and NDWIMcFeeters. These indicators were calculated using satellite data from the Landsat mission and processed in GIS systems, facilitating detailed, long-term environmental change assessments. Furthermore, the study developed a methodology for employing drones to validate satellite data and machine learning algorithms to automate data analysis. The primary objective of this research was to establish a comprehensive framework for monitoring post-mining processes, addressing environmental protection priorities and the sustainable management of post-industrial landscapes. The findings demonstrate that remote sensing indicators are highly effective for monitoring surface changes in mining regions. This enables the evaluation of environmental transformations and supports the mitigation of mining-related impacts through strategic reclamation planning. Additionally, the study offers recommendations for advancing monitoring tools, emphasizing the integration of drone technology and sophisticated data analysis techniques.
- Abstract (POL)
- Praca dotyczy zastosowania multispektralnych obrazów satelitarnych w geomonitoringu procesów poeksploatacyjnych, które zachodzą w regionach górniczych po zakończeniu działalności wydobywczej. Badania przeprowadzono na przykładzie kopalni Prosper-Haniel w niemieckim Zagłębiu Ruhry, zamkniętej w 2018 roku. Region ten, będący symbolem niemieckiego przemysłu węglowego, charakteryzuje się złożonymi wyzwaniami środowiskowymi, w tym deformacjami gruntu, zmianami hydrologicznymi oraz degradacją roślinności.
Przedstawione analizy opierają się na wykorzystaniu wybranych grup wskaźników teledetekcyjnych, takich jak wskaźniki wegetacyjne: GLI, GNDVI, GRNDVI, NDGI, NDVI, Norm_G, Norm_NIR, Norm_R oraz wskaźniki wodne: MNDWI, MSR, NDWIGao czy NDWIMcFeeters, które obliczono na podstawie danych satelitarnych z misji Landsat. Obrazy te przetworzono w systemach GIS, co umożliwiło szczegółowe badanie zmian w środowisku w długoterminowej perspektywie czasowej. Opracowano również metodykę wykorzystania dronów do weryfikacji danych satelitarnych oraz algorytmów uczenia maszynowego do automatyzacji analizy danych.
Celem pracy było stworzenie kompleksowego podejścia do monitorowania procesów zachodzących po zakończeniu eksploatacji górniczej, z uwzględnieniem potrzeb ochrony środowiska oraz wymagań zrównoważonego zarządzania terenami poprzemysłowymi. Wyniki badań wskazują, że wskaźniki teledetekcyjne mogą być skutecznie wykorzystywane do monitorowania zmian powierzchni terenu w regionach górniczych, co umożliwia ocenę zmian środowiskowych oraz redukcję negatywnego wpływu działalności górniczej poprzez planowanie działań rekultywacyjnych. Praca dostarcza także rekomendacji dotyczących przyszłego rozwoju narzędzi monitoringu, w tym większego wykorzystania technologii dronów i zaawansowanych metod analizy danych. - Freie Schlagwörter (DE)
- Nachbergbau, Fernerkundung, Geomonitoring
- Freie Schlagwörter (EN)
- Post-Mining, Remote Sensing, Geomonitoring
- Klassifikation (DDC)
- 624
- Normschlagwörter (GND)
- Bergwerk Prosper-Haniel
- Bergbaunachfolgelandschaft
- Landsat
- Geoinformationssystem
- Multispektralfotografie
- Rekultivierung
- Monitoring
- Drohne <Flugkörper>
- Fernerkundung
- Geoinformation
- Vegetation
- Steinkohlenrevier
- Bergsenkung
- Luftbildauswertung
- Satellitenbild
- Luftbild
- Satellitenbildauswertung
- Nordrhein-Westfalen
- Ruhrgebiet
- Steinkohlenbergbau
- ArcGIS
- Bodenbewegung
- Feuchtgebiet
- Stehendes Gewässer
- GutachterIn
- Prof. Dr.-Ing. Jörg Benndorf
- Prof. Dr. rer. nat. Tobias Rudolph
- BetreuerIn Hochschule / Universität
- Prof. Dr.-Ing. Jörg Benndorf
- Den akademischen Grad verleihende / prüfende Institution
- Technische Universität Bergakademie Freiberg, Freiberg
- Förder- / Projektangaben
- RAG-Stiftung Digital Twin – Integriertes Geomonitioring
ID: 20-0013 - Version / Begutachtungsstatus
- publizierte Version / Verlagsversion
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:105-qucosa2-967916
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 05.05.2025
- Dokumenttyp
- Dissertation
- Sprache des Dokumentes
- Deutsch
- Lizenz / Rechtehinweis
CC BY-NC-ND 4.0- Inhaltsverzeichnis
Inhaltverzeichnis Vorwort 4 Zusammenfassung 5 Abstract 6 Streszczenie 7 Inhaltverzeichnis 8 Abbildungverzeichnis 10 Tabellenverzeichnis 14 Abkürzungsverzeichnis 16 Formelverzeichnis 19 Anlageverzeichnis 20 1. Einleitung 22 2. Stand der Wissenschaft und Technik 24 2.1 Charakterisierung von Umwelteinflüssen bergbaulicher Tätigkeiten 24 2.2 Umweltmanagemetsystemen 42 2.3 Analyse von Monitoringmethoden für nachbergbauliche Prozesse 44 2.3.1 Klassisches geodätisches Monitoring 44 2.3.2 Umweltmonitoring 46 2.3.3 Terrestrische Sensorik 49 2.3.4 Fernerkundung mittels Satelliten 51 2.3.5 Fernerkundung mit UAV 69 2.3.6 Systematisierung und vergleichende Analyse der Methoden in Hinblick auf die Anforderungen zum Bergbaulichen Monitoring. 71 2.4 Geodatenmanagement für Geomonitoring im Nachbergbau 73 2.5 Defizitanalyse 76 2.6 Ziele der Arbeit und Forschungsfragen 78 3. Anforderungsanalyse für ein nachbergbauliches Monitoring am Beispiel des BW Prosper-Haniel 80 3.1 Geographie 80 3.2 Landbeckung 83 3.3 Wasserwirtschaft 85 3.4 Geologie 87 3.5 Hydrogeologie 90 3.6 Tektonik 92 3.7 Bergwerk Prosper-Haniel 94 3.7.1 Abbaugebiete 96 3.8 Bodensenkungen in Forschungsgebiet 98 4. Methodik 99 4.1 Auswahl die Testgebiete 101 4.2 Charakteristik des Satellitenbildes 103 4.2.1 Mission Landsat 105 4.3 Bilderfassung 108 4.4 Preprocessing 109 4.5 Fernerkundungsindikatoren 111 4.5.1 Vegetationsindikatoren 112 4.5.3 Wasserindikatoren 116 4.6 Die Benutzung GIS Software zur Berechnung fernerkundliche Indikatoren 119 4.7 Validierung der Ergebnisse 122 4.7.1 Drohnenbefliegungen 122 4.7.2 Mobile GIS 124 5. Beschreibung der Ergebnisse 125 5.1 Vegetationsindikatoren 125 5.2 Wasserindikatoren 150 6. Interpretation der Ergebnisse 163 6.1 Interpretation der Ergebnisse von Testgebiet 1 163 6.2 Interpretation der Ergebnisse von Testgebiet 2 170 6.3 Interpretation der Ergebnisse von Testgebiet 3 178 6.4 Interpretation die Ergebnisse von Testgebiet 4 186 7. Ausblick 196 8. Zusammenfassung 198 9. Literaturverzeichnis 204 10. Anlagen 241